Lenergia eolica è l'energia del vento e degli eventi atmosferici, cioè l'energia cinetica di una massa d'aria in movimento. È una fonte di energia alternativa a quella prodotta dalla combustione dei combustibili fossili, rinnovabile e a sostegno dell'economia, pulita, che non produce emissioni di alcun tipo di gas serra durante il funzionamento e richiede una superficie di terra vasta, gli effetti sull'ambiente sono solitamente meno problematici rispetto a quelli provenienti da altre fonti di energia, ed è possibile sfruttarla grazie all'utilizzo di aerogeneratori che producono energia elettrica, pompe eoliche per la movimentazione di acqua, tramite mulini a vento che producono energia meccanica per macinare cereali o altri materiali o vele per il movimento di veicoli aerei o acquatici (deltaplano, barca a vela, windsurf, ecc.).
È una fonte mediamente stabile di anno in anno, ma con una variazione significativa su scale di tempo più brevi: l'intermittenza del vento crea raramente problemi quando essa viene utilizzata per fornire fino al 20% della domanda totale di energia elettrica, ma se la richiesta è superiore vi è necessità di particolari accorgimenti alla rete di distribuzione e una capacità di produzione convenzionale. Alcuni metodi per la gestione della potenza prodotta, come quello di possedere sistemi di stoccaggio (come stazioni di pompaggio), turbine geograficamente distribuite, fonti alternative, accordi di esportazione e importazione di energia per aree limitrofe o la riduzione della domanda quando la produzione eolica è bassa, possono ridurre notevolmente questi problemi. Inoltre, le previsioni del tempo consentono alla rete elettrica di essere preparata tempestivamente a seconda delle variazioni previste nella produzione.
Grandi parchi eolici sono costituiti da centinaia di singoli aerogeneratori collegati alla rete di trasmissione di energia elettrica. L'eolico off-shore è più stabile, fornisce più energia e possiede un minor impatto visivo, tuttavia i costi di realizzazione e manutenzione sono notevolmente più alti. Piccoli impianti eolici on-shore forniscono elettricità a luoghi isolati. Le società elettriche acquistano sempre di più elettricità in eccesso prodotta da piccoli aerogeneratori domestici.
Il paese a più alta generazione eolica è la Danimarca, in cui il 43,4% del consumo elettrico derivava dal vento nel 2017.New record-breaking year for Danish wind power . Energinet.dk (15 gennaio 2016). Consultato il 20 luglio 2016. Sono almeno 83 gli altri paesi del mondo che utilizzano regolarmente l'energia eolica per il fabbisogno elettrico. Nel 2018 la capacità di generazione elettrica eolica installata nel mondo è aumentata del 9,6%, fino a 591 GW. Nel 2017 la produzione annuale di energia eolica è cresciuta del 17%, fino a coprire il 4,4% del fabbisogno elettrico planetario (nel 2010 era il 2,5%), fornendo l'11,6% dell'energia elettrica nell'Unione europeaWind in Power:2017 Europe. EWEA..
Storia
Per migliaia di anni, barche a vela e velieri hanno utilizzato l'energia eolica mentre gli architetti hanno usato la ventilazione naturale negli edifici fin dai tempi antichi. L'uso del vento per fornire energia meccanica è tuttavia iniziato un po' più avanti nella storia. La ruota a vento progettata dall'ingegnere greco Erone di Alessandria nel I secolo è il primo esempio noto di utilizzo dell'energia eolica per alimentare una macchina.Dietrich Lohrmann, "Von der östlichen zur westlichen Windmühle", Archiv für Kulturgeschichte, Vol. 77, Issue 1 (1995), pp.1–30 (10f.)A.G. Drachmann, "Heron's Windmill", Centaurus, 7 (1961), pp. 145–151
I primi mulini a vento furono in uso in Iran almeno dal IX secolo e forse già dal VII secolo.Ahmad Y Hassan, Donald Routledge Hill (1986). Islamic Technology: An illustrated history, p. 54. Cambridge University Press. ISBN 0-521-42239-6. L'impiego di mulini a vento si diffuse subito dopo in tutto il Medio Oriente e nell'Asia centrale e più tardi anche in Cina e in India.Donald Routledge Hill, "Mechanical Engineering in the Medieval Near East", Scientific American, maggio 1991 p. 64-69. (cf. Donald Routledge Hill, Mechanical Engineering ) Si ha notizia che, a partire dal 1000, i mulini a vento furono utilizzati, sia in Cina che in Sicilia per pompare acqua di mare per estrarre il sale.Mark Kurlansky, Salt: a world history,Penguin Books, London 2002 ISBN 0-14-200161-9, pg. 419 A partire dal 1180 furono ampiamente utilizzati in Europa nord-occidentale per macinare la farina,Dietrich Lohrmann, "Von der östlichen zur westlichen Windmühle", Archiv für Kulturgeschichte, Vol. 77, Issue 1 (1995), pp.1–30 (18ff.) mentre le pompe a vento furono utilizzate per drenare i terreni per favorire l'agricoltura e per l'edilizia. I primi immigrati nel Nuovo Mondo portarono con loro queste tecnologie.
L'energia eolica veniva sfruttata per trasportare acqua o per muovere macine e triturare i cereali, in particolare in Paesi Bassi era utilizzata per pompare l'acqua dei polder (che sono delle parti di terra sotto il livello del mare), migliorando notevolmente il drenaggio dopo la costruzione delle dighe. I mulini olandesi erano i più grandi del tempo, divennero e rimasero il simbolo della nazione. Questi mulini erano formati da telai in legno sui quali era fissata la tela che formava così delle vele spinte in rotazione dal vento; l'asse di rotazione era orizzontale, come per quasi tutti i mulini europei (i mulini cinesi avevano invece, in genere, asse di rotazione verticale).
Negli Stati Uniti, lo sviluppo delle pompe a vento fu il fattore principale che permise la coltivazione e l'allevamento in vaste aree altrimenti prive di acqua facilmente accessibile. Queste pompe contribuirono inoltre all'espansione della rete ferroviaria mondiale, grazie ai sistemi di pompaggio dai pozzi necessari per fornire l'indispensabile acqua per le locomotive a vapore. La turbina eolica a più pale posizionata in cima a una torre in legno o in acciaio, fu per oltre un secolo una presenza fissa nei panorami dell'America rurale.
Nel 1881, Lord Kelvin propose di usare l'energia eolica quando "il carbone fosse finito". Nello stesso periodo fu proposto anche lo sfruttamento dell'energia solare.
I primi sfruttamenti per generare potenza elettrica
Nel luglio 1887 il professore James Blyth, un accademico scozzese, costruì una turbina eolica nel giardino della sua casa delle vacanze a Marykirk e utilizzò l'energia elettrica prodotta per ricaricare gli accumulatori che alimentavano le luci nel suo cottage. Nel 1891 i suoi esperimenti portarono alla formalizzazione di un brevetto. Durante l'inverno del 1887-1888 l'inventore statunitense Charles F. Brush produsse energia elettrica utilizzando un generatore alimentato dal vento che fornì la sua casa e il suo laboratorio fino al 1900. Nel 1890 lo scienziato e inventore danese Poul la Cour costruì turbine eoliche per produrre energia elettrica, che venne poi utilizzata per la produzione di idrogeno e ossigeno per elettrolisi. La Cour fu il primo a capire che realizzare turbine veloci con meno pale era la soluzione più efficiente nella produzione di energia elettrica. Nel 1904 fondò la Society of Wind Electricians.
Verso la metà degli anni venti alcune aziende come la Parris-Dunn e la Jacobs Wind-electric realizzarono turbine tra gli 1 e i 3 kilowatt che trovarono una larga diffusione nelle grandi pianure dell'Ovest degli Stati Uniti. Tuttavia, a partire dagli anni 1940 la domanda sempre crescente di potenza elettrica e la diffusione di una rete di distribuzione più capillare, rese questi piccoli generatori obsoleti.
Nel 1931, George Darrieus, un ingegnere aeronautico francese, ottenne il brevetto per la turbina eolica Darrieus che utilizzava profili alari per generare la rotazione e a Jalta, in Unione Sovietica, fu installato un prototipo da 100 kW di generatore eolico orizzontale. Nel 1956 Johannes Juul, un ex studente di La Cour, realizzò una turbina da 200 kW a tre pale a Gedser in Danimarca. Questo progetto influenzò il design di molte turbine successive.
Nel 1975 il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti d'America ha finanziato un progetto per sviluppare turbine eoliche a grande scala. Il progetto si è concretizzato con la realizzazione di tredici turbine sperimentali da parte della NASA che hanno aperto la strada per gran parte della tecnologia utilizzata oggi. Da allora, le turbine hanno aumentato notevolmente le loro dimensioni con la Enercon E-126 in grado di erogare fino a 7,5 megawatt (MW).
Limitatamente all'uso dell'energia eolica come fonte di energia elettrica, tra il 2000 e il 2006 la capacità mondiale installata è quadruplicata. Nel 2005 la nuova potenza installata è stata di megawatt, nel 2006 di e nel 2007 di megawatt. Nonostante la crisi economica, il 2008 è stato un anno record per l'energia eolica, con oltre megawatt di nuova potenza installata in tutto il mondo. Da allora una grande crescita esponenziale ha portato ad avere già alla fine del 2008 una potenza cumulata totale di oltre 120 gigawatt, producendo elettricità pari ad oltre l'1,5% del fabbisogno mondiale di energia.
L'energia eolica
Il termine eolico deriva da Eolo (in greco antico Αἴολος), il dio dei venti nella mitologia greca.
L'energia eolica è l'energia cinetica prodotta dall'aria in movimento e solitamente prende il nome di vento. Il totale di energia eolica che fluisce attraverso una superficie immaginaria A durante il tempo t è:
dove ρ è la densità dell'aria, v è la velocità del vento; Avt è il volume di aria che passa attraverso la sezione A, considerata perpendicolare alla direzione del vento; Avtρ è quindi la massa m che passa per l'unità di tempo. Notare che ½ ρv2 è l'energia cinetica dell'aria in movimento per unità di volume.
La potenza è l'energia per unità di tempo. Nel caso dell'energia eolica incidente su A, per esempio l'area del rotore di una turbina eolica, è:
Il vento è il movimento dell'aria sulla superficie terrestre, tra zone di alta pressione e bassa pressione. La superficie della Terra è riscaldata in modo non uniforme dal Sole, a seconda di fattori come l'angolo di incidenza dei suoi raggi sulla superficie, che differisce con la latitudine e l'ora del giorno, e del suolo: terreno chiaro o scuro, roccia, sabbia, fitta di vegetazione, acqua. Inoltre grandi masse d'acqua, come ad esempio gli oceani si riscaldano e si raffreddano più lentamente della terra. Le differenze di temperature quindi generano differenze di pressione. La presenza di due punti con differente pressione atmosferica origina una forza, detta forza del gradiente di pressione o forza di gradiente, che agisce premendo sulla massa d'aria per tentare di ristabilire l'equilibrio e dunque dando luogo al fenomeno del vento. Inoltre la rotazione della Terra trascina l'atmosfera intorno ad essa causando movimento di grosse masse d'aria (Forza di Coriolis). Questi effetti si combinano portando alla naturale variabilità dei venti.
La quantità totale di energia economicamente estraibile dal vento è molto maggiore rispetto a quella attualmente fornibile da tutte le altre fonti. Axel Kleidon del Max Planck Institute in Germania, ha effettuato il calcolo della quantità di energia eolica disponibile in toto, concludendo che potrebbero essere estratti dai 18 ai 68 TW. Cristina Archer e Mark Z. Jacobson, in un calcolo differente da quello di Kelidon, hanno calcolato che ad un'altitudine di 100 metri sopra le terre e il mare, vi sono TW di energia eolica. Di questi "tra 72 e 170 TW potrebbe essere estratti in modo pratico ed economicamente competitivo". In seguito le stime si sono ridotte a 80 TW. Tuttavia una ricerca effettuata presso l'Università di Harvard stima 1 Watt/m2 in media e tra i 2 e i 10 MW/km2 la capacità per i parchi eolici di grandi dimensioni, il che suggerisce che queste stime del totale delle risorse eoliche mondiali siano troppo alte per un fattore di circa 4.
Distribuzione della velocità del vento